KR950006270B1 - 전자빔을 이용한 탄소강의 표면경화방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

전자빔을 이용한 탄소강의 표면경화방법

제1도는 본 발명에 따른 탄소강의 표면경화방법에 사용되는 전자빔 가속기의 개략적인 단면도.

제2a∼e도는 각 시편의 표면으로부터 깊이에 따른 경도변화를 나타내는 그래프.

제3도는 시편의 표면으로부터 깊이에 따라 비커스 압흔의 크기가 변하는 것을 보여주는 광학사진.

제4a∼e도는 광학 현미경으로 관찰된 각 시편의 단면조직사진.

제5a∼e도는 SEM(Scanning Electron Microscope)으로 관찰된 각 시편 경화층의 조직사진.

제6도는 경화되지 않은 내부 영역의 SEM에 의한 조직사진.

제7도는 재료내에 흡수된 에너지의 밀도 분포를 나타내는 그래프.

제8도는 In(I+τ)와 In(δ_h/δ_eff)의 관계를 나타내는 그래프.

제9도는 τ와 δ_h의 관계를 나타내는 그래프.

＊도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 가속기 12 : 하우징

14 : 전자방출기 16 : 가속관

18 : 자석렌즈장치 20,22 : 게이트

24,26 : 편향코일 28 : 시편

30 : 출구

본 발명은 탄소강의 표면경화방법에 관한 것으로서, 특히, 전자빔을 이용하여 대기중에서 탄소강을 표면경화처리하는 방법에 관한 것이다.

탄소강의 표면 경화법은 이미 여러가지가 공지되어 있다. 예를 들면, 화염 경화법, 고주파 유도 경화법, 레이저 경화법등이 그것이다. 화염 경화법은 산소 아세틸렌 화염으로 C 0.35∼0.55%의 탄소강이나 저합금강의 표층부를 급속히 담금질 온도까지 가열한 직후에 수냉으로 담금질 경화시키는 표면 경화법으로 이러한 화염경화법은 화염의 방사 열에너지가 가간섭성이 아니므로 퍼짐으로 인한 열 손실이 많으며, 에너지 밀도가 적음으로 인하여 부품의 심층부까지 가열해야 하므로 표면 온도의 증가 속도가 늦게되며, 열이 비효율적으로 경화구역 내부로 침투되므로 담금질로 급냉시키는 추가의 공정이 필요하게 된다. 게다가, 연소 부산물이 발생됨으로 인해 제품이 오염될 가능성이 높다는 문제점도 있다.

고주파 유도 경화법은 코일 속 또는 그에 인접한 위치에 탄소강을 위치시킨 후, 코일에 유도된 고주파 전류에 의하여 발생한 전자 유도 전류에 의해서 탄소강의 표면부만을 급속히 가열한 다음 분사 냉각등에 의해 담금질 처리하는 표면 경화법이다. 고주파 유도 경화법은 처리 속도가 빠르고, 경화깊이가 깊으며, 처리면적이 넓으며, 장비가격이 저렴하고 효율이 양호하다는 장점이 있지만, 유도 전류가 공작물의 표면하 상당한 거리까지 침투하여 과도한 열을 주므로 화염 경화법에서와 마찬가지로 담금질로 급냉시켜 경화해야 한다. 그리고, 공작물의 표면에 요철부가 있는 경우에는 그에 따른 고주파의 흡수차이로 비균일하게 가열될 수도 있으며, 공작물의 형상이 복잡한 경우에는 코일도 그에 따라 복잡하게 형성되어야 하므로 공작물이 구조에 제한이 있다.

레이저 빔 경화법은 레이저 빔이 가간섭성이므로 예리하게된 모양의 국부적인 구역에 큰 에너지를 가할 수 있어서 출력 밀도가 크며, 출력이 크므로 열을 부품의 표면하 일정한 거리에 제한하는 것이 가능하다. 따라서, 선택적인 경화가 가능하며, 복합한 구조를 갖는 제품을 균일하게 경화시킬 수 있다는 장점이 있다. 레이저 빔 경화법도 고주파 경화법과 마찬가지로 경화 후에 담금질과 같은 후처리는 필요없다. 그러나, 레이저 빔 경화법은 장비가 고가이며, 처리 속도가 느리며, 처리 면적이 제한된다는 문제점이 있다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 최근에 고에너지의 가속 전자빔을 에너지원으로 사용하여 대기중에서 공업적으로 이용할 수 있는 기술이 활발히 연구되고 있다. 종래의 경우, 전자빔은 진공상태하에서 이용될 수 있는 것이었으나, 최근, 러시아의 노보시비르스크(Novosibirsk)에 있는 Budker 핵 물리 연구소(Budker Institute of Nuclear Physics)에서 0.5∼2.5MeV의 전자빔을 대기중에서 이용할 수 있는 가속 장치를 실용화하였다. 이 가속장치를 이용하면 10MW/cm²에 이르는 고출력 접속 전자빔의 에너지를 재료에 직접 전달할 수 있으므로 열 효율이 거의 70%에 달하고 가열 속도는 경우에 따라 1초당 수백만도에 이르는 것으로 밝혀졌다.

통상적으로, 전자빔에 의한 표면경화법은 다른 표면 경화법과 비교하여 다음과 같은 특성 및 장점을 갖는 것으로 밝혀졌다.

첫째, 출력이 레이저 빔의 경우보다 적어도 10배이상 크며, 자기장에 의한 전자빔의 집속이 레이저의 경우보다 더 빠르고 조절하기 쉽다.

둘째, 시편의 이동 속도 및 전자빔의 주사조건을 조절함으로써 경화층의 두께를 결정할 수 있으며, 짧은 시간에 공정이 이루어지므로 균일한 가열과 냉각이 되어 경화후의 후처리가 필요없다.

셋째, 전자의 에너지가 거의 열로 전환되므로 거리에 따른 에너지의 손실이 적어서 열효율이 높다. 부품과 열원사이의 거리는 경화층의 두께를 조절하는 인자로도 사용할 수 있다.

넷째, 재료특성 변화에 의한 영향이 거의 없으므로 재료의 변형이나 뒤틀림이 발생하지 않는다.

이와 같이 대기중에서 이용될 수 있는 전자빔 분출 장치가 산업 분야에 응용됨으로써 재료의 표면처리 절단, 복합 재료 및 세라믹의 합성 또는 소결, 여러가지 재료의 증발 화학 반응의 가속화를 이용한 폐기액의 정화등 다양한 분야에 적용 가능하게 되었다.

따라서, 본 발명의 또다른 목적은 대기중에서 이용가능한 전자빔을 사용하여 탄소강의 표면을 경화시키는 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 전자빔의 주사 조건을 조정함으로써 탄소강의 표면 경화층 두께를 조절할 수 있는 탄소강 표면경화법을 제공하는데 있다.

전술한 바와 같은 본 발명의 목적은 대기중에서 전자빔을 이용하여 탄소강의 표면을 경화시키는 방법으로서, 표면경화처리될 탄소강을 상기 전자빔의 출구로부터 일정 거리 이격된 상태로 위치시킨 후 상기 탄소강을 일정 속도로 이송시키는 단계와 ; 상기 전자빔의 출력과, 에너지 밀도 및 주사속도로 조절한 후 상기 탄소강에 주사 함으로써 상기 탄소강의 표면을 경화시키는 단계를 포함하는 방법에 의해 달성된다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하고자 한다.

제1도를 참조하면, 본 발명에 따른 탄소강 표면 경화방법에 사용되는 ELV-8 가속기의 개략적인 단면도가 되시되어 있다. 도시된 바와 같이, ELV-8가속기(10)는 하우징(12)과 상기 하우징의 내부에 위치되는 전자 방출기(14)와, 상기 전자 방출기(14)로부터 방출되는 전자를 가속시키는 가속관(16)과, 상기 가속된 전자들을 집속시키는 자석렌즈 장치(18)와, 상기 집속된 전자들이 통과하는 게이트(20,22) 및 편향 코일(24,26)을 포함한다. 시편(28)은 출구(30)로부터 일정거리(h) 이격되는 지점에 위치되어 일정속도(V)로 이송되며, 전자 방출기(14)로부터 방출되는 전자들은 가속관(16)을 통과하는 동안 가속화된후, 자석 렌즈장치(18)에 의해 집속된다. 집속된 전자들은 고주파 편향 코일(24) 및 저주파 편향 코일(26)에 의해 편향된 후 출구(30)를 통해 대기중으로 분사된다.

전자 가속기에 의해 발생되는 강력한 집속빔을 사용하면, 시편의 표면층은 대단히 빠른 속도로 가열되고, 이어서 금속 내부로 열이 확산되면 경화-탄소강의 경우 마르텐사이트변태에 의한 되기에 충분한 속도로 급속히 냉각된다. 전자빔에 의한 경화과정에서 에너지 흡수는 그리 크지 않으며, 따라서 시편내에서의 온도이완후의 시편 온도 또한 높지 않다. 그리고 경화과정에서 표면으로부터의 열방출은 표면 어디에서나 같다. 이와같이, 시편에 대한 최소 가열과 균일한 냉각으로 기공과 균열이 거의 생기지 않는다. 그 외에도 고출력의 집속 전자빔에 의한 표면경화방법은 수십분의 일초에 이르는 짧은 빔 노출시간으로 인하여 표면의 산화를 피할 수 있는 장점이 있다.

본 발명에서는 탄소강(0.28%C)의 표면에 전자빔을 대기중에서 조사하여 표면경화현상을 관찰하였다. 시편에 여러가지 조건들로 전자빔을 조사한 후에 표면으로부터 거리에 따른 경도 변화를 조사하였고, 이로부터 표면 경화층의 깊이를 결정하였다. 그리고, 광학 현미경과 SEM(Scanning Electron Microscope)을 이용하여 경화층의 미세구조를 관찰하였다.

이하의 표 1에는 탄소강의 표면에 조사되는 전자 빔의 주사조건이 기재되어 있다.

[표 1]

<전자빔의 주사조건>

시편들은 직경199mm의 실린더 형태의 탄소강(0.28% C)이 사용되었다. ELV-8 전자 가속기의 전자빔의 에너지 범위는 1.0∼2.5MeV이고, 최대 출력은 200KW이고, 빔의 전류는 50mA 이하이며, 전자빔의 분출구의 크기는 4mm²이다. 실린더 형태의 탄소강을 선반에 장착하여 회전시켜 일정한 속도로 이송시키면서 전자빔을 실린더 외측 표면에 주사함으로써 시편들을 경화시켰다. 상대적 빔주사속도(υ)는 전자빔과 전자 빔이 조사되는 실린더 표면의 상대적 이송 속도이다. 전자빔의 에너지 E는 1.4MeV로 모든 시편에 대해 동일하다.

표면에 전자빔이 조사된 실린더 형태의 시편으로부터 일부분을 절단한 후 마이크로 비커스 경도계를 이용하여 표면으로부터 거리에 따른 경도 변화를 조사하였다. 시편을 절삭하면서 발생되었을 기계적 손상층을 나이탈 용액(8% HNO₃-CH₃OH)을 사용하여 화학적 부식으로 제거하였다. 경도측정은 마이크로 비커스 경도계(압자하중 500gf)를 사용하였다.

제2a∼e도를 참조하면, 각 시편의 표면으로부터 깊이에 따른 경도변화를 나타내는 그래프가 도시되어 있다. 시편C1 의 경화층의 깊이는 0.73mm, C2는 1.60mm, C3는 1.45mm, C4는 1.65mm, 그리고 C5는 0.85mm이다. 시편 C5에서는 경화층이 내부 보다 약 2.3배 더 높은 경도값을 가지지만, 나머지 다른 시편들에서는 경화층은 약 2.7배 더 높은 경도값을 가진다. 그림 2(a)-2(d)에서 각 시편의 경도값이 가장 큰 깊이는 표면보다 약간 아래에 있다.

즉, 시편C1에서는 0.4mm, C2, C3 그리고 C4는 0.8mm의 높이에서 경도값이 가장 크며, 시편 C5는 이러한 최고 경도값이 뚜렷하지 않다.

제3도는 시편의 표면으로부터의 깊이에 따라 비커스 압흔의 크기가 변하는 것을 보여주는 광학 사진이다. 압흔의 크기로부터 알 수 있는 바와 같이, 압흔의 크기가 작은 부분, 즉, 시편의 상측부가 압흔의 크기가 큰 부분, 즉, 시편의 하측부보다 경화되었음을 알 수 있다.

제4a∼e도는 광학 현미경으로 관찰된 각 시편의 단면 조직 사진이다. 제 4a∼e도로부터 알 수 있는 바와 같이, 각 시편의 상측부는 조직이 대단히 조밀하며, 그의 하측부로 갈수록 조직의 조밀도가 떨어진다는 것을 알 수 있다. 이러한 조직 사진과 제2a∼e도의 경도변화 그래프를 대조해 보면, 조직 사진으로부터 나타나는 조밀도의 변화와 경도변화 그래프의 변화가 대체로 일치한다는 것을 알 수 있을 것이다.

제5a∼e도는 SEM으로 관찰된 각 시편의 경화층의 조직사진이다. 시편 C1, C2 및 C4의 경화층은 대부분이 마르텐 사이트 조직이고 일부 베이나이트 조직으로 이루어진 것으로 관찰되었다(제5a,b 및 d도 참조). 시편 C3의 경화층은 거의 마르텐사이트 조직으로 이루어졌으며(제5c도 참조), 시편 C5의 경화층은 대부분이 약 10μm정도의 미세한 입자의 펄라이트 조직이고 일부만이 베이나이트나 마르텐사이트 조직으로 이루어진 것으로 관찰되었다(제5e도 참조). 모든 시편들에서 경화층과 내부의 경계영역은 대부분이 펄라이트 조직이고 일부 재결정 페라이트 조직과 베이나이트 그리고 마르텐사이트 조직이 혼재되어 있는 것이 관찰되었다. 제6도는 경화되지 않은 내부영역의 SEM에 의한 조직 사진으로 전자빔에 의해 열처리되기 전에 내부는 펄라이트 조직이었던 것을 보여 준다.

제7도를 참조하면, 표면으로부터의 거리 Z에 따른 재료에 흡수되는 에너지 밀도 U(Z)의 분포가 그래프로 도시되어 있다. δ₂는 외삽에 의해 결정되는 외삽투과깊이이며, 식(1)로 계산된다.

여기에서 E(MeV)는 전자빔의 에너지이고, ρ(g/cm³)는 재료의 밀도이다.

보통은 식(2)로 결정되어 유효투과깊이 δ_eff를 쓰는 것이 편리하다.

여기에서 U_n은 에너지밀도 분포곡선에서 최고값으로 표면보다 조금 더 깊은 위치에 있다. 이로부터 식(3)의 관계가 생긴다.

탄소강의 밀도(ρ=7.8/cm³)와 본 실험에서 이용된 전자빔의 에너지(E=1.4MeV)에 대해서, 식(3)에 의해서 전자빔의 유효투과깊이를 계산하면 δ_eff=0.5mm이고 δ_e=0.8mm이다.

제2a∼d도의 경도변화 곡선은 제7도의 에너지밀도의 분포와 유사한 형태를 보인다. 이로부터 시편 C1-C4들의 경도변화는 에너지밀도의 분포가 반영되어 나타난 것을 알 수 있다. 그러나, 시편 C2C4들의 경도변화 곡선에서 최고경도값을 갖는 깊이는 에너지 밀도의 분포곡선의 외삽투과깊이 δ_e와 비슷한 크기이다. 시편 C1의 경우와 같이 빔주사속도가 큰 경우 즉, 입사에너지가 적을때에는 가열된 표층은 대체로 에너지가 투과되는 영역까지만 급냉에 의한 변태로 경화층이 되고, 시편 C2-C4들과 같이 입사에너지가 충분히 많을때에는 열확산에 의해 에너지가 투과된 영역의 약 2배 깊이까지 경화층이 생성된다.

강력한 집속전자빔을 약 10⁴-10kW/cm³의 출력밀도로 재료의 표면에 가하면 그 에너지가 재료에 흡수되면서 표면의 온도가 순간적으로 높은 온도(∼2000˚C)에 이른다. 이어서 금속 내부로 열이 확산되면서 가열되었던 층이, 탄소강의 경우에 마르텐사이트 변태에 의한, 경화가 되기에 충분한 속도로 급속히 냉각된다(탄소강에서 마르텐사이트 변태가 일어나기 위해서는 냉각속도가 250℃/sec 이상이 되어야 한다).

입사에너지가 너무 많을때(시편 C5의 경우) 경도변화 곡선은 이러한 경향을 보이지 않는다. 제5도의 조직사진에서도 시편 C5는 주로 미세한 입자크기의 펄라이트 조직으로 이루어졌으며, 마르텐사이트 조직이 많은 다른 시편들과는 서로 다른 조직을 가진다는 것을 알 수 있다. 이로부터 시편 C5에서와 같이 입사에너지가 너무 많을때에는 냉각속도가 낮아져서 마르텐사이트 변태가 일어나기에 충분하지 않은 속도로 냉각되고 결국 미세한 입자크기의 펄라이트 조직이 생성된다고 여겨진다. 시편 C5의 경우에는 마르텐사이트 변태에 의한 경화보다는 이들 펄라이트 미세입자로 인한 경화가 더 지배적이라고 하겠다.

표면에서 전자빔의 직경 d, 전자빔의 주사속도 υ일때 빔 조사시간 t는 t=d/υ이다. 빔의 투과깊이와 재료의 열전도도, k(cm²/s)를 고려하여 식(4)로 정의되는 입사에너지의 상대적 시간, τ를 도입한다.

전자가속기 ELV-8의 경우에 표면에서 전자빔의 직경 d(cm)는 E(MeV)와 h(cm)에 의존하며 실험적으로 식(5)으로 주어진다.

전자빔의 에너지에 의해 온도가 상승된 표층이 온도이완으로 급냉되면서 탄소강의 경우에 마르텐사이트 변태가 일어난다. 마르텐사이트 변태에 의해 경화되는 깊이 δ_h는 식(6)로 계산된다.

여기에서T_n은 시료표면의 빔중앙에서의 최대온도상승분이고,T_n는 경화임계온도의 상승분이다. 전자빔이 시료표면을 때리면 전자빔의 운동에너지의 대부분이 열에너지로 바뀌어져 표면의 온도가 급상승하게 된다. 이때 빔의 투사되는 중심부의 표면이 온도는 시료의 녹는점까지 올라간다고 알려져 있다. 이러한 사실로부터T_n∼1500℃로 탄소강의 녹는점이 된다.

식(6)을 이용해서 경화층의 깊이를 측정한 실험결과로부터T_n를 결정할 수 있다. 제8도는 1n(1+τ)와 1n(δ_h/δ_eff)의 관계를 보이는 실험결과이다. 이 그래프를 최소자승법으로 일치직선 맞추기를 통해 y축의 교점으로부터T_n가 결정될 수 있다.

이로부터T_n∼1200℃로 계산된다. 이것은 마르텐사이트 변태온도, M₅∼300℃를 의미한다.

식(6)으로부터 δ_h는 τ에 비례하게 된다. 제9도에는 각 시편의 τ와 δ_h의 관계가 도시되어 있다. 제9도에서 점선은T_n∼1200℃를 적용해서 식(6)으로부터 계산된 값이다. 시편 C5는 계산값과 큰 차이를 보이는 것을 볼 수 있다.

1.4MeV의 전자빔이 주사된 탄소강의 표면은 빔주사조건에 따라 약 0.7-1.6mm 깊이의 경화층을 형성한다. 입사에너지의 상대적 시간 τ가 적은 (τ＜55) 조건에서는 전자빔의 에너지로 가열된 영역에서 내부로 열확산이 일어나 급냉되면서 마르텐사이트 변태에 의해서 경화층이 형성된다. 이러한 조건에서 표면경화된 시편들에서 경화층은 내부보다 약 2.7배 더 높은 경도값을 가진다.

이와는 달리, τ가 큰(τ%5) 조건에서는 즉, 입사에너지가 너무 많을 때에는 냉각속도가 낮아져서 마르텐사이트 변태가 일어나기에 충분하지 않은 속도로 냉각되고 결국 미세한 입자크기의 펄라이트 조직이 생성되며 이들 미세입자로 인한 경화가 더 지배적이다. 이 조건으로 표면 경화된 시편에서는 경화층을 경도값이 약 2.3배 증가한다.

Claims (1)

1. 대기중에서 전자빔을 이용하여 탄소강의 표면을 경화시키는 방법에 있어서, 표면경화처리될 탄소강을 상기 전자빔의 출구로부터 7.5-8cm 이격된 상태로 위치시킨 후 상기 탄소강을 0.4-0.7cm/sec의 속도로 이송시키는 단계와 ; 출력 74-84kw 범위의 전자빔을 대기중에서 상기 탄소강에 주사하여 상기 탄소강의 표면을 경화시키는 단계를 포함하는 방법.